失重性骨丟失的藥物防護綜述

袁國棟 1，2，李玉恒 1，凌樹寬 1，許 斌 3，趙建寧 3，李英賢

(1.中國航天員科研訓(xùn)練中心航天醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)與應(yīng)用國家重點實驗室，北京 100094；2.東南大學(xué)醫(yī)學(xué)院，南京 210009；3.東部戰(zhàn)區(qū)總醫(yī)院骨科，南京 210002)

1 引言

航天飛行中，為安全高效地進行太空探索和研究，充分了解長期暴露于太空環(huán)境對航天員健康的影響并進行干預(yù)至關(guān)重要。失重可引起人體內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)的失衡，可能導(dǎo)致多系統(tǒng)功能紊亂，包括骨丟失，肌肉萎縮，鈣和鈉代謝異常等現(xiàn)象。當(dāng)進行艙外活動或操縱大型精密的器械設(shè)備時，對航天員的身體狀態(tài)有著苛刻要求。隨著航天飛行時間的增長，航天員發(fā)生骨質(zhì)疏松性骨折的風(fēng)險也逐漸增加，骨丟失在人類進入太空后數(shù)天便開始發(fā)生。未來長期載人航天飛行，如果不對失重性骨丟失進行有效防護，人類對宇宙的探索將會受到阻礙。目前，物理鍛煉仍是防護失重性骨丟失的主要措施，而同時使用藥物干預(yù)可以達到更佳的防護效果。近年來越來越多的藥物研究陸續(xù)開展，部分藥物也已經(jīng)應(yīng)用于航天飛行。本文總結(jié)歸納防護失重性骨丟失的藥物，并對其作用機制進行闡述，以期為中國制定綜合防護失重性骨丟失的戰(zhàn)略規(guī)劃方案提供參考。

2 航天環(huán)境中的骨代謝

在航天飛行中，失重狀態(tài)使骨吸收增加，骨形成減少，腸道鈣吸收減少，繼而導(dǎo)致承重骨(如股骨，脛骨和椎骨)骨密度和骨量下降，而顱蓋骨趨于增厚。LeBlanc對俄羅斯和平號空間站(Mir)上的18名航天員進行雙能X線吸收法測定(Dual-emission X-ray Absorptiometry，DXA)掃描，發(fā)現(xiàn)脊柱、股骨頸、股骨轉(zhuǎn)子和骨盆的骨密度(Bone Mineral Density，BMD)平均每月下降1%～1.6%，明顯高于原發(fā)性骨質(zhì)疏松癥BMD的下降速度(每年0.5%～1%)。失重環(huán)境下成骨細胞的分化受到抑制，調(diào)節(jié)成骨細胞分化的重要轉(zhuǎn)錄因子Runx2對骨形態(tài)發(fā)生蛋白2(Bmp2)刺激的反應(yīng)性降低。另外，失重狀態(tài)能夠激活NF-κB信號通路，使Rankl/Opg比值上調(diào)，促進破骨細胞分化并增強破骨細胞功能，從而使骨吸收增加。這與雌激素缺乏性骨質(zhì)疏松癥的發(fā)病機制不同，其骨吸收增加的同時骨形成亦有增加，但后者不足以代償過度的骨吸收。

3 失重性骨丟失防護藥物

3.1 已應(yīng)用于航天飛行中的藥物

3.1.1 維生素D和鈣劑

在太空中航天員體內(nèi)游離Ca增多，腸道鈣吸收減少。維生素D是維生素D和維生素D的總稱，人體內(nèi)維生素D主要由皮膚中7-脫氫膽固醇經(jīng)日光中的紫外線照射轉(zhuǎn)化而來，在肝臟和腎臟中經(jīng)生物轉(zhuǎn)化成具有活性的1，25(OH)D。小腸是維生素D的主要靶器官，1，25(OH)D可促進小腸黏膜鈣結(jié)合蛋白的合成，參與鈣的轉(zhuǎn)運，促進鈣的吸收。臨床研究發(fā)現(xiàn)，同時補充鈣劑和維生素D可降低骨質(zhì)疏松性骨折的風(fēng)險。Bikle等研究發(fā)現(xiàn)，骨骼無承重的3種狀態(tài)(航天飛行、臥床、動物尾吊模型)下1，25(OH)D合成減少。動物實驗研究表明外源性1，25(OH)D可以防止小鼠尾吊所致的骨丟失，使小鼠的骨密度升高，并改善血清骨鈣素和ALP水平。但也有研究報道單獨補充鈣劑并不能防止失重性骨丟失的發(fā)展，因此，是否鈣劑和1，25(OH)D的聯(lián)用能夠預(yù)防失重性骨丟失還有待進一步的研究。

3.1.2 維生素K

維生素K是γ-羧化酶的輔酶，在γ-羧基谷氨酸的形成過程中起著重要作用。γ-羧基谷氨酸是骨鈣素發(fā)揮正常生理功能所必需的氨基酸，具有提高骨量的作用。人體內(nèi)維生素K含量低時，骨鈣素不能完全羧化，因此未羧化骨鈣素(ucOC)可用于評估維生素K的功能狀態(tài)。Augusseau等、Vermeer等研究報道在Mir上的兩名航天員血清中的ucOC濃度明顯上升，且在執(zhí)行任務(wù)過程中一直維持在較高水平，而其中一位航天員服用維生素K后ucOC濃度明顯降低。Smith等發(fā)現(xiàn)在國際空間站(ISS)上工作4至6個月的11名美國航天員血漿中維生素K濃度下降了42%。Iwasaki等則發(fā)現(xiàn)飲食維生素K可以維持尾吊小鼠的骨小梁結(jié)構(gòu)和骨量。與上述研究結(jié)果不同的是，Zwart等發(fā)現(xiàn)在ISS工作了2～6個月的航天員血漿維生素K濃度與飛行前相比沒有明顯變化。此外，在3個獨立的臥床試驗(臥床21～90天)和14天的飽和潛水試驗中，受試者血漿維生素K，尿γ-羧基谷氨酸和血清ucOC濃度在實驗前后都無明顯差別。由于目前相關(guān)的太空研究及其所參與的航天員數(shù)量有限，補充維生素K是否能夠有效防護失重性骨丟失還有待進一步證實。

3.1.3 雙膦酸鹽

雙膦酸鹽是臨床上使用最廣泛的抗骨質(zhì)疏松藥。Leblanc等報道在17周的臥床實驗中，8名男性受試者在臥床期間每日口服阿侖膦酸鈉，另外13名受試者不服藥作為對照組，研究發(fā)現(xiàn)服用阿侖膦酸鈉可有效改善骨密度。在隨后開展的太空研究，在ISS上平均工作了5.5個月的7位航天員在飛行前3周開始口服阿侖膦酸鈉，并在整個飛行過程中持續(xù)服用，且所有航天員可在空間站通過高級抗阻力鍛煉裝置(Advanced Resistive Exercise Device，ARED)進行鍛煉。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)服用阿侖膦酸鈉配合ARED鍛煉可以減輕多項因長期太空飛行所致的骨骼生理指標(biāo)下降。但是，在某些情況下雙膦酸鹽類藥物可能會引起不良反應(yīng)，比如胃腸道反應(yīng)以及下頜骨壞死等，因此有學(xué)者認(rèn)為在長期的太空飛行中，雙膦酸鹽并不是防護失重性骨丟失最理想的選擇。

3.2 具有潛在治療效果的藥物

3.2.1 蛋白類藥物

1)骨保護素(Osteoprotegerin，OPG)。骨保護素是一種分泌型糖蛋白，屬于TNF受體超家族成員，可與Rankl結(jié)合，競爭性拮抗Rank和Rankl相互作用，從而抑制破骨細胞分化和骨吸收活性。早期地面動物實驗報道OPG可防止小鼠尾吊所致的骨強度和骨量的減少。OPG-Fc是小鼠內(nèi)源性O(shè)PG類似物，Lloyd等發(fā)現(xiàn)飛行前對小鼠進行OPG-Fc給藥可以有效防止失重性骨丟失。在這項研究中，研究人員將小鼠分為3組:基線組、太空飛行組(SF)和地面對照組(GC)。SF和GC組中各一半小鼠皮下分別注射OPG-Fc和磷酸鹽緩沖液(Phosphate Buffer Saline，PBS)，研究發(fā)現(xiàn)SF/OPG-Fc組小鼠的骨體積分?jǐn)?shù)(BV/TV)相比SF/VEH組(注射PBS)或GC/VEH組增高；另外，與SF/VEH組相比，SF/OPG-Fc組小鼠血漿中TRAP5b濃度較低，提示OPG-Fc能夠抑制破骨細胞的分化而抑制失重性骨丟失。

2)甲狀旁腺激素相關(guān)蛋白(PTHrP)。PTHrP表達于骨、皮膚、甲狀腺、心臟等組織，其空間結(jié)構(gòu)、活性都與甲狀旁腺激素(PTH)類似。臨床上常用的特立帕肽便是一種PTHrP類治療骨質(zhì)疏松的藥物，臨床研究顯示，與安慰劑組相比，特立帕肽治療可大大降低椎體骨折風(fēng)險，并可降低新發(fā)椎體骨折的發(fā)生率，增加腰椎、股骨頸的骨密度。Torday等研究發(fā)現(xiàn)在太空中飛行兩周后，大鼠股骨和脛骨中PTHrP含量比地面對照組低60%，而顱蓋骨沒有差異。為了進一步研究PTHrP在失重性骨丟失中的作用，Camirand等把從PTHrP的基因敲除小鼠(

Pthrp

)和野生型小鼠(

Pthrp

)顱蓋骨和小梁骨中提取的成骨細胞(COs和TOs)送上太空。經(jīng)過6天至6周的太空飛行，

Pthrp

COs和

Pthrp

COs的凋亡率沒有明顯差異，而

Pthrp

TOs凋亡率相較

Pthrp

TO明顯增高。另外，給予小鼠外源性PTHrP(重組PTHrP蛋白)可緩解長期暴露于失重環(huán)境對TOs的有害作用，這說明PTHrP類藥物有潛力防護失重性骨丟失，不過需要開展太空試驗進一步驗證。

3)骨硬化蛋白抗體。由SOST基因編碼的骨硬化蛋白是Wnt通路的抑制因子，也是骨形成的重要負調(diào)節(jié)劑，在調(diào)節(jié)骨對機械負荷的反應(yīng)中起關(guān)鍵作用。SOST基因與骨質(zhì)疏松的發(fā)生關(guān)系密切，Yerges等研究了65歲以上美國白人男性374個骨代謝候選基因的2722個SNP與股骨骨密度的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)SOST基因上游的rs1230399與股骨骨密度相關(guān)最顯著。Blosozumab是人工合成的Ig4型的單克隆骨硬化蛋白抗體，一項隨機雙盲安慰劑對照的2期臨床試驗表明，Blosozumab能夠提高脊柱、股骨頸及髖骨的骨密度，且有劑量依賴性。Morse等研究發(fā)現(xiàn)，在小鼠中敲除SOST基因，一方面可以緩解由于機械負荷減少引起的骨丟失，另一方面在機械負荷增加后能夠促進骨形成。Li等、Spatz等研究發(fā)現(xiàn)骨硬化蛋白抗體(SclAbII)可以抑制部分負重小鼠、去卵巢(OVX)大鼠骨量和骨密度的降低。另外，有研究發(fā)現(xiàn)臥床和太空飛行過程中人體內(nèi)骨硬化蛋白水平都有明顯升高，未來可進行骨硬化蛋白抗體的太空研究，以觀察其對失重性骨丟失的治療效果。

4)肌肉生長抑制素(MSTN)/激活素A(activin A)拮抗劑。MSTN和activin A都是TGF-β家族成員，可通過與激活素受體ACVR2A和ACVR2B結(jié)合啟動下游信號而影響成骨細胞和破骨細胞活性。MSTN主要功能是抑制成肌細胞的增殖，是肌肉生長發(fā)育的負性調(diào)控因子，有文獻報道MSTN信號的抑制參與了低強度脈沖超聲波(Low-intensity Pulsed Ultrasound，LIPUS)抑制去卵巢和尾吊大鼠骨丟失的過程。激活素A抑制劑ACE-011可以競爭性抑制activinA與內(nèi)源性受體的結(jié)合而阻斷下游信號，ACE-011的臨床試驗表明，ACE-011可以提高絕經(jīng)后婦女骨密度，迅速、持續(xù)誘導(dǎo)血清骨吸收標(biāo)志物CTX下降。Lee等構(gòu)建了MSTN基因敲除的小鼠(

Mstn

)，研究發(fā)現(xiàn)太空中的

Mstn

小鼠的肌肉質(zhì)量約為野生型小鼠的2倍，給予小鼠MSTN/activinA抑制劑ACVR2B/Fc注射，可明顯改善地面和太空中小鼠的骨密度。另外，ACVR2B/Fc還可以促進小鼠回到地面后肌肉質(zhì)量和骨密度的恢復(fù)。由于MSTN/activin A拮抗劑或許能同時減輕太空飛行過程中的骨丟失和肌肉萎縮，與其他僅針對失重性骨丟失的藥物相比可能有著更大的應(yīng)用前景。5)鳶尾素(Irisin)。航天飛行中骨質(zhì)疏松和肌肉萎縮常常同時發(fā)生。骨骼肌對骨骼發(fā)育至關(guān)重要，為了適應(yīng)肌肉施加的機械負荷的變化，骨骼的質(zhì)量和結(jié)構(gòu)也會發(fā)生相應(yīng)改變。人體運動后骨骼肌細胞會產(chǎn)生一種名叫鳶尾素的肌動蛋白，臨床研究發(fā)現(xiàn)老年男性血漿中鳶尾素水平與骨密度呈正相關(guān)。Colaianni等發(fā)現(xiàn)鳶尾素可以延緩尾吊小鼠骨質(zhì)疏松和肌肉萎縮的進展，在機制研究上，Chen等報道鳶尾素通過上調(diào)β-Catenin表達而促進成骨細胞分化。在一項太空研究中，Colucci等設(shè)計了3種共培養(yǎng)方案:成骨細胞(OB)/破骨細胞(OC)/內(nèi)皮細胞(EC)、OB/OC和OB/EC。結(jié)果發(fā)現(xiàn)在太空組中，3種共培養(yǎng)體系中成骨細胞分化重要的轉(zhuǎn)錄因子

Runx

2，

Osterix

，

Atf

4和反映成骨細胞功能的分子

Collagen I

的表達都有顯著下降，而在鳶尾素處理后上升。這說明鳶尾素在失重環(huán)境下可促進成骨細胞分化，增強成骨細胞的活性。

3.2.2 小分子藥物

1)脂肪酸ω-3。膳食中的ω-3脂肪酸多為不飽和脂肪酸如二十碳五烯酸(EPA)，臨床研究發(fā)現(xiàn)長期有氧運動訓(xùn)練和ω-3脂肪酸的攝入對絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松癥患者骨密度的改善具有協(xié)同作用。Zwart等研究發(fā)現(xiàn)EPA不僅可以抑制Rankl誘導(dǎo)的RAW264.7細胞的分化，還能夠阻遏TNF-α刺激或模擬微重力所致的NF-κB信號通路的激活。另外，臥床過程中攝入更多的ω-3脂肪酸可使尿I型膠原氨基端末肽(N-terminal telopeptide of type I collagen，NTX)下降，提示ω-3脂肪酸攝入抑制了骨吸收。在隨后的太空試驗發(fā)現(xiàn)，在短期太空飛行后航天員外周血單核細胞中NF-κB p65表達上升，提示NF-κB信號通路的激活。魚肉中含有豐富的ω-3脂肪酸，上述研究還發(fā)現(xiàn)航天員在太空中進食更多的魚肉可緩解航天飛行后的骨密度下降，這一發(fā)現(xiàn)對制定科學(xué)的航天員飲食方案有較大參考價值。

2)3-羥基丁酸(3HB)。聚羥基丁酸(PHB)降解產(chǎn)物3-羥基丁酸是酮體的主要成分，在許多生理活動中起著重要作用。3HB可以促進小鼠成骨細胞系MC3T3-E1的分化。動物實驗發(fā)現(xiàn)3HB可以抑制小鼠卵巢切除引起的骨丟失。Cao等研究發(fā)現(xiàn)3-羥基丁酸及其衍生物亦可防護失重性骨丟失，進一步機制研究表明3-羥基丁酸抑制了

Nfatc

1去磷酸化以及核異位從而抑制了破骨細胞分化。

3.2.3 單體藥物

酚類化合物是天然抗氧化物，多項研究發(fā)現(xiàn)從自然植物中提取的酚類化合物如白藜蘆醇，姜黃素和多酚可有效緩解模擬微重力造成的骨丟失。梅干中富含維生素K以及酚類化合物，多項臨床研究表明每日食用梅干可預(yù)防婦女絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松，梅子粉飲食也可有效緩解小鼠尾吊造成的骨丟失。這些結(jié)果提示富含酚類化合物的食物或許可作為航天食品的選擇。

3.2.4 小核酸藥物

失重環(huán)境下miRNA表達會發(fā)生改變。Mangala等運用NASA研發(fā)的HARV生物反應(yīng)器模擬微重力培養(yǎng)TK6人淋巴細胞72 h，結(jié)果顯示在模擬微重力條件下miR-150、miR-34a、miR-423-5p、miR-22、miR-141、miR-618和miR-222表達明顯改變。Wang等發(fā)現(xiàn)在尾吊小鼠骨骼組織中miR-214表達明顯上升，miR-214通過靶向ATF4 3’UTR抑制其翻譯水平，進而抑制成骨細胞的功能，抑制骨形成。另一方面，miR-214抑制劑治療能有效緩解尾吊所致的骨丟失。miR-214在破骨細胞分化過程中表達明顯升高，其通過靶向Pten調(diào)控Pten/PI3k/Akt信號通路從而促進破骨細胞的功能。破骨細胞能夠分泌包含miR-214的外泌體，并通過Ephrin A2和Eph A2的相互作用識別成骨細胞，轉(zhuǎn)運進入成骨細胞抑制成骨細胞的功能。上述結(jié)果表明，miR-214抑制劑有望應(yīng)用于治療失重性骨丟失。

3.2.5 中藥

很多中藥如淫羊藿苷、黃芩、生姜總黃酮對失重性骨丟失具有防護作用，這些研究均是在動物模型中進行驗證，但缺乏航天實驗數(shù)據(jù)。隨著中國空間站建成，可開展相應(yīng)研究，以證實中藥防護失重性骨丟失的有效性，從而制定出有中國特色的防護失重性骨丟失藥物方案。

3.3 其他

3.3.1 褪黑素

在軌飛行中，航天員的生物鐘會嚴(yán)重紊亂。褪黑素是松果體分泌的一種胺類激素，一般在黑暗中合成，因而其血液濃度存在晝夜節(jié)律性。有文獻報道對松果體進行外科消融后，在大西洋鮭魚，雛雞和大鼠中觀察到了脊柱畸形。Amstrup等臨床研究表明，服用褪黑素可以改善婦女絕經(jīng)后的骨質(zhì)疏松癥狀，增加股骨頸骨密度。Ikegame等報道褪黑素可能成為預(yù)防太空飛行中骨質(zhì)丟失的潛在藥物。研究人員將再生的金魚鱗片作為研究太空飛行中骨重塑模型，在早期地面實驗已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在金魚鱗片系統(tǒng)中使用褪黑素可以抑制破骨細胞活性，現(xiàn)階段實驗發(fā)現(xiàn)，在太空中破骨細胞骨吸收活性顯著升高，褪黑素合成減少，而經(jīng)過褪黑素處理后破骨細胞骨吸收活性明顯下降，進一步研究發(fā)現(xiàn)褪黑素是通過上調(diào)降鈣素的表達水平而抑制了破骨細胞活性，從而防止了骨質(zhì)流失。

3.3.2 氫分子

氫分子有抗氧化、抗炎、神經(jīng)調(diào)節(jié)等諸多生理功能，臨床上有廣泛應(yīng)用。臨床研究發(fā)現(xiàn)連續(xù)8周飲用富氫水0.9 L/d可明顯降低2型糖尿病患者血低密度脂蛋白與8-異前列素的水平，并使糖耐量受損的患者糖耐量明顯改善。一項類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎的臨床研究中，飲用富氫水的患者尿液中的8-羥基脫氧鳥嘌呤顯著下降，C反應(yīng)蛋白水平明顯降低，類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎癥狀也得到改善。Sun等研究報道氫分子可有效防護失重性骨丟失，體外細胞實驗發(fā)現(xiàn)富氫培養(yǎng)基不但可以抑制Rankl誘導(dǎo)的RAW264.7細胞的分化，并能緩解模擬微重力所致的MC3T3-E1分化的抑制和ROS的產(chǎn)生。體內(nèi)實驗表明飲用富氫水減輕了尾吊引起的大鼠股骨和腰椎骨密度下降，說明氫分子能夠抑制失重性骨丟失。不過鑒于富氫水還未開展骨質(zhì)疏松相關(guān)的臨床試驗，其安全性和有效性有待進一步確認(rèn)。

3.3.3 其他潛在治療靶點

隨著對失重性骨丟失機制研究的不斷深入，研究發(fā)現(xiàn)了越來越多新的治療靶點，如Wnt通路抑制因子Dkk2、連接蛋白43(Cx43)、水通道蛋白-9(AQP9)、堿性調(diào)寧蛋白 h1(CNh1)、酪蛋白激酶2相互作用蛋白1(CKIP-1)等。這些研究中都構(gòu)建了基因敲除的模式動物，并發(fā)現(xiàn)敲除上述基因均可緩解失重性骨丟失。但是，由于缺乏上述分子的抑制劑的臨床實驗數(shù)據(jù)和相應(yīng)的在軌研究，上述基因是否可以作為防護失重性骨丟失的靶點還有待進一步驗證。

4 結(jié)語

航天員中長期駐留的生命健康保障是航天醫(yī)學(xué)面臨的巨大挑戰(zhàn)。目前，只有維生素D和鈣劑、維生素K及雙膦酸鹽類藥物已應(yīng)用于航天飛行，有潛在治療效果的空間藥物研究尚不充分。國際上應(yīng)對失重性骨丟失還未有完善的綜合防護策略，未來應(yīng)開展有關(guān)失重性骨丟失的空間藥物研究，以制定安全有效、切實可行的失重性骨丟失綜合防護措施。